離心泵優化設計的案例
【CFD專欄】基于CFD仿真、元建模和貝葉斯推斷方法的離心泵優化設計
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◆ 小結
本文通過CFD仿真、元建模和貝葉斯推斷這一系統方法對葉輪形狀設計進行優化，優化后的泵的額定揚程提升了25%。該方法優勢在于通過貝葉斯優化，在設計空間中，對抽取的樣本進行序列更新。在有限的迭代次數后，使序列收斂到全局最優。使用高斯過程回歸器作為替代模型，在參數的容許空間上，提供了估計目標函數值的置信度優化器。有利于工程師研究不同因素對離心泵揚程和效率等結果的影響，得到更加準確的結果，指導對離心泵進行最優設計。
本文通過Simerics MP+軟件進行瞬態數值模擬，對優化設計的性能進行了詳細分析。研究得出以下幾點結論：
在最佳方案下，觀察到泵輸送性能提高了37%。葉輪半徑內的壓力分布得到了改善。
展開 漫談離心泵葉輪的優化設計
吉林省宇琦泵業有限公司
摘 要：葉輪是影響離心泵性能的主要水力零件，涉及到人們關注的泵的整體能效和運行可靠性。本文從定性的角度、結合經驗及同行們的研究成果來簡要談一談如何通過優化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能，僅供參考。
關鍵詞：離心泵 葉輪 優化 吸入性能 水力性能
引言
有朋友希望我談一談離心泵葉輪的優化設計。為此，首先必須要弄清楚優化的目的：改善吸入性能？提高泵的效率？調整Q-H曲線的上升幅度……其次再根據具體需要進行優化。
影響離心泵性能的主要水力零件是葉輪，另外，還包括與其配合的蝸殼/導葉等過流零件。其實，對于離心泵葉輪的優化設計，作者在微信公眾號《泵沙龍》里不少文章中都有部分涉及，如：《全面理解汽蝕及其對離心泵的影響》、《全面理解離心泵吸入比轉速》、《葉輪幾何參數對離心泵性能的影響》等等。
流體機械屬于一門半理論、半經驗的學科，還存在很多無法準確設計/模擬/預測的地方，例如不同結構、不同溫度、不同泵送介質下無法準確地模擬出流體真實的流態及其對泵性能的影響。因此，本文只能從定性的角度、結合經驗及同行們的研究成果來簡要談一談如何優化離心泵的葉輪來改善泵的吸入性能和水力性能。僅供參考。
改善吸入性能
經常會看到來自各種專家的期刊文章，介紹汽蝕所造成損傷的類型、原因和解決方案。然而，對于普通工程師和現場操作人員來說，汽蝕現象的診斷及避免/消除并不簡單，往往很難糾正。
葉輪葉片有兩種彎曲型式：前彎曲和后彎曲。由于后彎葉片葉輪在最大化動力、賦予流體高旋轉力及防止脫流方面更有效，因此離心泵通常均采用后彎曲葉片葉輪。
對于泵本體來說，泵的汽蝕行為和吸入性能在很大程度上受葉輪入口（eye處）的幾何形狀及面積的影響。
展開 用CFD仿真優化離心泵的設計
這意味著隨著流速加大，泵的功率消耗在達到一個極限后趨于穩定。
離心泵設計優化研究
流體在渦輪機內的流動非常復雜，主要是因為三維結構帶來的湍流、二次流、不穩定等。
離心泵設計過程初期主要是基于經驗相關性，以及模型試驗與工程經驗的結合，但現在的設計要求對內部流動情況有詳細的了解。借助CFD的幫助，有望實現這一目標。
CFD仿真使離心泵內部流動的可視化成為可能，并為泵的水力模型設計提供了富有價值的信息。仿真結果被用來計算和預測離心泵的性能，從而取代了過去耗時而成本高昂的物理實驗，除了縮短整個設計周期外，還節省了大量工作。
項目概況
本案例研究采用了“用CFD仿真優化離心泵的設計”這個仿真項目作為模板。
展開 通過CFD模擬改進離心泵水力設計
這意味著，隨著流量的增加，泵的功耗在達到極限之后將趨于穩定。
離心泵設計優化研究
渦輪機械中流動的復雜性主要是由于3D開發的結構涉及湍流、二次流、不穩定等。離心泵的設計過程最初基于經驗相關性、模型測試和工程經驗的結合。然而，如今的設計要求對內部流動有詳細的了解 -這在CFD的幫助下是可能的。
CFD模擬使離心泵內部的流動狀態可視化成為可能，并提供了有關泵的水力設計的寶貴信息。模擬結果用于計算和預測離心泵的性能，取代了過去漫長而昂貴的物理實驗。除了縮短整個設計周期外，還節省了大量的工作。
項目概況
在我們的案例研究中，我們將使用這個模擬項目作為模板：通過CFD模擬對離心泵設計進行優化。
該項目使用穩態多參考系（MRF）方法和k-ω SST湍流模型模擬了一臺典型的離心水泵。通過SIMPLE算法實現了壓力-速度耦合。MRF區域的旋轉速度為157.08 rad/s（1,500 rpm）。本項目研究了：1）出口葉片角和2）葉片數量對離心水泵性能的影響。使用SimScale對具有三個不同出口葉片角（即13、23和33度）和三個不同葉片數量（即6、8和10片）的葉輪的性能特性曲線以及局部和全局流量變量進行了數值預測。
所考慮的離心泵設計入口直徑為150 mm，出口直徑為151.5 mm，葉輪直徑為340 mm。域是使用SimScale平臺上的“快速十六進制網格”進行網格劃分的幾何體。
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CFD仿真：離心泵設計中的效率優化
前言
在處理渦輪機械時，例如壓縮機、螺旋槳或離心泵等，最輕微的設計變化往往會產生巨大的影響。根據機器的不同，即使是1% 的效率提高，也可以在機器的使用壽命內節省數千美元的成本。
渦輪機械在轉子和流體之間傳遞能量。通過這種方式，機械能被轉換為壓力或揚程。通常在渦輪機械設計中，工程師的主要目標是效率、可靠性、性能和延長使用壽命。粗略地說，機器應該在盡可能長的時間內盡可能好地運行、有效地回收盡可能多的能量，并且需要盡可能少的維護。雖然這些因素符合制造商、供應商和客戶的直接利益，但由于環境影響法規的收緊和人們對舒適度需求的增加，噪音污染或排放等其它考慮因素變得越來越重要。所有這些方面都需要在設計階段進行仔細評估。
案例：用CFD設計離心泵
作為渦輪機械的一個例子，本案例模擬了一種常見的泵類型 - 離心泵。這種類型的泵通過旋轉元件將機械旋轉能量轉換為流體中的能量。為了最大限度地提高效率，減少能量損失以確保離心泵利用盡可能多的動力至關重要。例如，由于摩擦或再循環（回流），可能會發生能量損失。計算流體動力學（CFD）可以以扭矩、軸向推力、壓降和域內任何點的流速的形式量化性能，以確定可以優化效率的區域。
圖1：離心泵設計的CFD分析
有許多設計方面會影響泵的效率，例如泵殼體，葉輪蓋板、葉輪葉片數量或葉片角度等。以葉輪為例，可以改變其尺寸，例如增加直徑，但這會增加其質量，從而導致更大的能量損失。
展開 基于TCFD和CAESES的離心泵性能優化
CAESES是一款能夠為仿真工程師提供全參數化的CAD模型，并將其與自動化工具和優化工具相結合的軟件工具。CAESES的側重點就是為仿真提供穩定的幾何模型，以及這些幾何模型的穩健變化，以便進行更快速，更全面的設計研究和形狀優化。
智能和高效的工作流程
現代化的CAE工作流程是由一系列特定且復雜的任務流程構成的，為了能夠得到顯著且有效的結果，需要保證流程中每一步操作的正確性。因此，未來的CAE流程將轉變為由專業人士制作的由專業的軟件包連接構成的自動化工作流程。
在此我們推出了一個由TCFD和CAESES兩個軟件包構成的智能高效的葉輪機械設計優化工作流程。
典型案例——離心泵
離心泵是利用葉輪旋轉而使水發生離心運動來工作的。葉輪是離心泵的核心部分，對離心泵性能有著重要影響。我們選擇了一款現有的離心泵模型，來作為演示設計流程的案例，該離心泵主要性能參數如下所示：
該優化案例的優化目標是，在轉速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率。
優化流程
首先需要創建離心泵的幾何模型。CAESES提供了一個CAD環境，其中包括方便靈活的創建幾何變體，定義高效的參數化模型并輸出用于模擬的模型。之后，在TCFD中創建基于CAESES輸出模型的CFD模擬設置模板，并返回到CAESES的軟件連接器。最后，設置CAESES里的優化策略，之后會自動生成不同的幾何變體并使用TCFD進行模擬。
離心泵參數化建模——CAESES
按CFD的計算需求創建離心泵的介質流動域。整個幾何模型被劃分成進口域、轉子域和蝸殼域。
展開 基于CAESES和TCFD的離心泵多工況性能優化
CAESES是一款能夠為仿真工程師提供全參數化的CAD模型，并將其與自動化工具和優化工具相結合的軟件工具。CAESES的側重點就是為仿真提供穩定的幾何模型，以及這些幾何模型的穩健變化，以便進行更快速，更全面的設計研究和形狀優化。
智能和高效的工作流程
現代化的CAE工作流程是由一系列特定且復雜的任務流程構成的，為了能夠得到顯著且有效的結果，需要保證流程中每一步操作的正確性。因此，未來的CAE流程將轉變為由專業人士制作的由專業的軟件包連接構成的自動化工作流程。
在此我們推出了一個由TCFD和CAESES兩個軟件包構成的智能高效的葉輪機械設計優化工作流程。
典型案例——離心泵
離心泵是利用葉輪旋轉而使水發生離心運動來工作的。葉輪是離心泵的核心部分，對離心泵性能有著重要影響。我們選擇了一款現有的離心泵模型，來作為演示設計流程的案例，該離心泵主要性能參數如下所示：
該案例中，我們選取了設計工況臨近的5個工況點進行計算，以五個工況的效率整體提升作為優化目標。TCFD軟件中可以很方便的設置工況條件列表，并依次計算，結合CAESES中的多目標優化算法，使得多工況優化更為簡便。
優化流程
首先需要創建離心泵的幾何模型。CAESES提供了一個CAD環境，其中包括方便靈活的創建幾何變體，定義高效的參數化模型并輸出用于模擬的模型。之后，在TCFD中創建基于CAESES輸出模型的CFD模擬設置模板，并返回到CAESES的軟件連接器。最后，設置CAESES里的優化策略，之后會自動生成不同的幾何變體并使用TCFD進行模擬。
展開 基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化
3.5 模型優化后的葉片結構參數和性能
在上述仿真實驗中，對葉片出口角度、葉片出口寬度、葉片厚度和分流葉片對離心式人工心臟泵的剪切應力分布、水力性能的影響進行了研究，得到了一組性能較好的葉片結構參數見表1。
表1 優化模型的葉片結構參數
圖10為優化后的葉輪三維模型與泵的裝配剖視圖。將優化模型與基礎模型的仿真結果進行對比可以發現，優化后模型葉輪表面的最大剪切應力為455Pa，基礎模型葉輪表面的最大剪切應力約為584.7Pa，優化后葉輪表面的最大剪切應力降低了22%。此外，優化后的葉輪揚程約為114.6mmHg，基礎模型葉輪的揚程約為119.1mmHg，兩者揚程均能滿足人工心臟泵的使用要求，且優化后的葉輪揚程更接近100mmHg，更符合設計的需求。
圖10
4 結論
本文基于計算流體動力學仿真分析，研究了不同葉片結構參數下的離心式心室輔助泵的剪切應力分布、水力性能變化，發現葉片形狀對泵的剪切應力分布、水力性能有較大影響。直葉片較后彎葉片有較大的揚程，但存在更大的剪切應力。當葉片出口角度較小時，葉片表面及泵內剪切應力較大；當葉片出口角度過大時，由于葉片前緣向前傾斜，不利于前緣處流體的運動，剪切應力反而增大。
葉片出口寬度與泵的揚程呈正相關的關系，在設計時需要配合蝸殼前后間隙綜合考慮，避免影響泵內血液流動狀態而發生溶血。葉片厚度較小時，葉片表面及泵內剪切應力較大，適當增大葉片厚度可以有效降低葉片緣剪切應力分布。
分流葉片在增加輔助泵的揚程的同時也會引起葉片表面的剪切應力增大，適用于低轉速下需要增加水力性能需求的葉輪設計。在本文研究范圍內，葉片出口角度β2=60°、葉片出口寬度b2=6mm、葉片厚度δ=2.5mm且沒有分流葉片的葉輪性能更好。
文章來源：工具技術
展開 離心/混流泵水力設計
以提升效率為目標進行尋優計算，智能實現葉輪的優化設計，達到更高的水力效率。
『分享』proENGINEER運動仿真功能在離心泵設計中的應用
proENGINEER運動仿真功能在離心泵設計中的應用<BR><Font color=#FF0000><B>.PS.:</B>該帖附件于2006-10-22 10:33:16被藍狐評為2星級，為發貼者加分40。</Font><BR><Font color=#FF0000><B>點評:</B></Font>
ProENGINEER運動仿真功能在離心泵設計中的應用.PDF
CAESES在泵設計優化中的應用
自動化CFD分析流程
渦室設計和優化
CAESES也非常適合泵渦室的設計和優化工作。
在CAESES中進行自動化隔舌變形分析
德國KSB公司運用CAESES和ANSYS進行了泵流道設計與優化的案例研究，取得了很好的效果。
泵流道流動特性優化，由德國KSB公司運用CAESES和ANSYS工具完成
我們已經有多年成功使用CAESES的經驗。在CAESES中，我們可以創建泵設計過程中任意階段的設計優化流程。CAESES的功能極大的加速和完善了我們傳統的設計流程，并幫助我們提升了多種類型水泵的質量。
——Toni Klemm博士，CFD工程師，德國KSB公司
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齒輪泵CFD建模設計的最優化
齒輪泵是汽車上的一個重要部件，在發動機給油、變速器系統中被廣泛地使用。齒輪泵在使用過程中，體積效率和零件磨損成為問題，為了最優化齒輪泵性能，減輕摩擦損傷，理解泵內部的流體力學就顯得尤為重要。STAR-CD分析的作用在于泵流性能的最優化和流體流動振蕩的減輕，并降低成本，提高泵效率。為了優化齒輪泵的設計，必須詳細模擬齒輪形狀、遺漏流以及空氣泡的產生、壓縮、破碎等過程。
AxSTREAM離心壓縮機從1D到3D的設計，分析和優化
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齒輪泵CFD建模設計的最優化
齒輪泵是汽車上的一個重要部件，在發動機給油、變速器系統中被廣泛地使用。齒輪泵在使用過程中，體積效率和零件磨損成為問題，為了最優化齒輪泵性能，減輕摩擦損傷，理解泵內部的流體力學就顯得尤為重要。STAR-CD分析的作用在于泵流性能的最優化和流體流動振蕩的減輕，并降低成本，提高泵效率。為了優化齒輪泵的設計，必須詳細模擬齒輪形狀、遺漏流以及空氣泡的產生、壓縮、破碎等過程。
FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優化設計
常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。其中離心空壓機具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高等特點,比較適合燃料電池。離心空壓機通過葉輪的高速旋轉對工質進行做功,持續輸出壓縮空氣,離心空壓機的性能主要由其中的葉輪決定。燃料電池空壓機葉輪與傳統車用渦輪增壓器葉輪的設計需求差別較大,傳統渦輪增壓器葉輪需要較寬的流量范圍;而燃料電池所需要的離心空壓機需要較高的壓比,不需要過寬的流量范圍。
1 葉輪的設計
1.1 設計方法
高性能葉輪的葉片是復雜的三維結構,在設計時不僅要考慮到氣動性能與結構強度,還要考慮加工工藝,以便于進行側銑加工,總體設計難度較大。葉輪設計基本有兩種方式:(1)根據設計目標全新設計;(2)對現有葉輪進行設計優化。
全新設計葉輪需要根據設計目標,首先從一維設計軟件中預測基本的幾何參數,再通過三維設計軟件對性能進行優化。全新設計葉輪需要很長的時間周期,而且設計難度較大。在工程開發上多采用第二種方式,即對現有葉輪重新設計并進行優化。
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